Дефекты в кристаллах кратко

Обновлено: 05.07.2024

Любые отклонения от регулярного расположения частиц в кристалле называют дефектами структуры. Структура реальных кристаллических веществ отличается от идеальных. В реальных кристаллах всегда имеют место дефекты. Дефекты кристаллического строения оказывают большое влияние на все свойства кристаллических тел: механические, магнитные, электрические, оптические и химические.

Отклонения от идеальной решетки могут быть временными и постоянными. Временные отклонения возникают при воздействии на кристалл механических, тепловых и электромагнитных колебаний, при прохождении через кристалл потока быстрых частиц и т.п. К постоянным несовершенствам относятся точечные дефекты (междоузельные атомы, вакансии, примесные атомы), линейные дефекты, (дислокации), плоские поверхностные дефекты (границы зёрен, границы самого кристалла) , объёмные дефекты (закрытые и открытые поры, трещины, включение постороннего вещества).

Точечные (нульмерные) дефекты имеют размер порядка диаметра атома. Основной причиной, их возникновения является переход атомов за счёт теплового движения из узлов кристаллической решетки в междоузлие. Точечный дефект, представляющий собой незаполненное место в узле кристаллической решетки, называют вакансией (рисунок 1.9 а). Другие типы точечных дефектов образуются за счёт замещения собственного атома в узле кристаллической решетки атомом примеси (рисунок 1.9б) или в результате внедрения атома принеси в междоузлие (рисунок 1.9в).

Рисунок 1.9 - Основные, виды точечных дефектов

Линейные (одномерные) дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяжённость в третьем измерении. Они представляют собой нарушение кристаллической структуры вдоль некоторой линии и называются дислокациями. Возникают дислокации при механической и термической обработке кристаллов. Различают краевые и винтовые дислокации. Краевые дислокации образуются в кристаллах, подвергнутых деформации сдвига (рисунок 8а).

Рисунок 1.10 - Виды дислокации

Винтовые дислокации образуются при скольжении одной атомной плоскости относительно другой по винтовой линии не менее чем на один период (рисунок 8б).

Дислокации существенно ухудшают свойства материалов. В металлах, например, снижают механическую прочность, а в полупроводниках значительно увеличивают проводимость, вызывают рассеяние носителей заряда, служат центрами рекомбинации и генерации носителей заряда.

Поверхностные (двухмерные) дефекты малы только в одном измерении. Они представляют собой поверхности раздела между

отдельными зёрнами или блоками веществ. Возникают поверхностные дефекты в процессе кристаллизации вещества.

Объемные (трехмерные) дефекты имеют существенные размеры во всех трех измерениях. Такие дефекты возникают при изменении условий роста кристалла.

Рисунок 1.9 - Основные, виды точечных дефектов

Рисунок 1.10 - Виды дислокации

Дефектами в кристаллах называют нарушения идеальной кристаллической структуры. Такое нарушение может заключаться в замене атома данного вещества чужим атомом (атомом примеси) (рис. 1, а), во внедрении лишнего атома в междоузлие (рис. 1, б), в отсутствии атома в узле (рис. 1, в). Подобные дефекты называют точечными.

Они вызывают нарушения правильности решетки, распространяющиеся на расстояния порядка нескольких периодов.

Кроме точечных, существуют дефекты, сосредоточенные вблизи некоторых линий. Их называют линейными дефектами или дислокациями. Дефекты такого вида нарушают правильное чередование кристаллических плоскостей.

Простейшими видами дислокаций являются краевая и винтовая дислокации.

Краевая дислокация обусловливается лишней кристаллической полуплоскостью, внедренной между двумя соседними слоями атомов (рис. 2). Винтовую дислокацию можно представить как результат разреза кристалла по полуплоскости и последующего сдвига лежащих по разные стороны разреза частей решетки навстречу друг другу на величину одного периода (рис. 3).

Дефекты оказывают сильное влияние на физические свойства кристаллов, в том числе и на их прочность.

Первоначально имевшаяся дислокация под воздействием созданных в кристалле напряжений перемещается вдоль кристалла. Перемещению дислокаций препятствует наличие других дефектов в кристалле, например, присутствие атомов примеси. Дислокации тормозятся также при пересечении друг с другом. Увеличение плотности дислокаций и возрастание концентрации примесей приводит к сильному торможению дислокаций и прекращению их движения. В результате прочность материала растет. Так, например, повышение прочности железа достигается растворением в нем атомов углерода (сталь).

Пластическая деформация сопровождается разрушением кристаллической решетки и образованием большого количества дефектов, препятствующих перемещению дислокаций. Этим объясняется упрочение материалов при их холодной обработке.

Искажения в кристаллической решётке – это несовершенство правильного геометрического расположения атомов в кристаллическом твердом теле. Дефекты в кристаллах возникают в результате деформации твердого тела, быстрого охлаждения из-за высокой температуры или излучения высокой энергии (например, рентгеновских лучей или или нейтронов, падающих на твёрдое тело. Расположенные в отдельных точках - вдоль линий или на всей поверхности – эти искажения влияют на его механические, электрические и оптические свойства материала.

Различают точечные и линейные дефекты. Первые, в свою очередь, могут быть типу Френкеля, Шоттки или примесными. Дефект Френкеля состоит из одного иона, который смещается из своей нормальной точки решетки, перемещаясь в ближайший промежуток или пространство между атомами решётки. В дефекте Шоттки решётку покидают два иона противоположного знака. Примесные искажения - это чужеродные атомы, которые замещают некоторые из атомов, которые либо составляют твёрдое тело, либо проталкиваются в пустоты.

Линейные несовершенства или дислокации являются линиями, вдоль которых проходят целые ряды атомов в твердом теле. Результирующая неравномерность зазора наиболее заметна вдоль линии, называемой линией дислокации. Линейные дефекты могут ослаблять или укреплять твёрдые тела, поэтому они даже создаются искусственно методом хонингования.

Изучение искажений кристаллической решётки важно для моделирования электрического поведения полупроводников, материалов, используемых в компьютерных микросхемах и других электронных устройствах, а также для оценки их влияния на механические свойства.

Точечные дефекты (нульмерные)

Точечные дефекты в кристаллах представляют собой искажения решётки с нулевой размерностью, т.е. ни в какой размерности они не обладают структурой решётки.

Типичные точечные несовершенства подразделяются на три группы:

примесные атомы в чистом металле;

Вакансии получают путём нагревания в концентрациях, достаточно высоких для количественных исследований. Для получения аналогичных концентраций межузельных атомов точечные искажения можно получить, выполняя внешнюю работу с кристаллом. Такая работа выполняется в атомном масштабе за счет облучения энергоёмкими частицами. Столкновения между посторонними атомами и атомами решётки вызывают смещения последних от мест замещения к местам внедрения. Таким образом, вакансии и междоузлия производятся в равных количествах. Поскольку одна вакансия и одно междоузлие вместе образуют дефект Френкеля, облучение, по сути, является процессом образования такого дефекта. Это невыгодно по сравнению с экспериментальным исследованием межузельных свойств, поскольку радиационно-индуцированные изменения свойств кристаллов всегда включают роль вакансий.

При пластической деформации также образуются вакансии и межузельные частицы. Хотя деформация обходится намного дешевле, чем облучение частицами, метод не стал общепринятой процедурой для создания точечных дефектов, поскольку не позволяет производить контролируемое образование искажений независимо от сложных сетей дислокаций.

Аномально высокие концентрации точечных несовершенств встречаются в некоторых нестехиометрических интерметаллических соединениях. Здесь вакансии и внедрения уже играют роль дополнительных легирующих элементов и имеют в этом смысле термодинамическое значение.

Другие методы получения точечных дефектов - быстрая закалка, испарение на холодных подложках или лазерный отжиг - зависят от термически активированного производства.

В чистых металлах и в большинстве сплавов вакансии обеспечивают термически активированный перенос атомов и, следовательно, свойства вакансий напрямую влияют на перенос атомов. Свойства вакансии дают информацию о межатомных силах с помощью особых возмущений, которые зависят от вакантного узла решётки.

Линейные (одномерные)

Дефекты кристаллического строения металлов могут проявляться в форме линейных дефектов или дислокаций. Дислокации - это линии, вдоль которых аномально расположены целые ряды атомов твёрдого тела. Результирующая неравномерность зазора наиболее заметна вдоль линии, называемой линией дислокации. Линейные искажения могут ослаблять или упрочнять твердые тела.

Поверхностные (или одномерные) дефекты могут возникать на границе между двумя зёрнами или небольшими кристаллами внутри кристалла большего размера. Ряды атомов в двух разных зёрнах могут проходить в отличающихся направлениях, что приводит к несоответствию на границе зерна. Внешняя поверхность кристалла фактически также является дефектом, потому что атомы вынуждены корректировать свое положение, чтобы приспособиться к отсутствию соседних атомов вне поверхности.

Линейные несовершенства, или, точнее, краевые дислокации, возникают тогда, когда последний слой остается незавершённым, так что в слоях, которые располагаются выше и ниже него, образуется своего рода ступенька. Поскольку длина линейных дефектов в определённом объёме стали или сплава может составлять в сумме один световой год, это открытие должно иметь большое практическое значение, поскольку структура стали зависит, среди прочего, от того, насколько она ковкая, жёсткая и пластичная. - свойства, которые материаловеды хотят постоянно оптимизировать.

Поверхностные (двухмерные)

Основная часть исследований в области химии поверхности связана с механизмами реакций на поверхности и идентификацией адсорбированных и реагирующих частиц.

Однако небольшое количество исследователей интересуются влиянием поверхности на возникновение и развитие дефектов. Структура поверхности на атомарном уровне может определять свойства материала.

Известно, что несовершенства структуры кристаллов, являясь активными центрами, контролируют многие механические и химические свойства твёрдых тел. С увеличением общего количества поверхностных дефектов растёт число атомов с различным числом разорванных связей.

Двухмерные искажения подразделяются на три группы:

Возникающие на границах зёрен.

Границы зон двойникования.

Все поверхностные структуры получаются в результате различной ориентации смежных кристаллических решёток.

Объемные (трехмерные)

Междуузельные соединения являются наиболее распространенным представителем объёмных дефектов.

Трёхмерные искажения решётки образуются из-за большого возмущения её размеров. Следствием такого возмущения являются изменения, которые связаны с динамическими и статическими свойствами материалов.

Объёмные несовершенства играют ключевую роль в развитии типичных структур повреждений, которые определяют не только микроструктуру, но и микрохимию сплавов.

Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии кристалла — идеальной периодичности кристаллической решётки. Различают несколько видов дефектов по размерности. А именно, бывают нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трёхмерные (объемные) дефекты.

Содержание

Нульмерные дефекты

К нульмерным (или точечным) дефектам кристалла относят все дефекты, которые связаны со смещением или заменой небольшой группы атомов (собственные точечные дефекты), а также с примесями. Они возникают при нагреве, легировании, в процессе роста кристалла и в результате радиационного облучения. Могут вноситься также в результате имплантации. Свойства таких дефектов и механизмы их образования наиболее изучены, включая движение, взаимодействие, аннигиляцию, испарение.

Собственный межузельный атом — атом основного элемента, находящийся в междоузельном положении элементарной ячейки.
Примесный атом замещения — замена атома одного типа, атомом другого типа в узле кристаллической решетки. В позициях замещения могут находиться атомы, которые по своим размерам и электронным свойствам относительно слабо отличаются от атомов основы.
Примесный атом внедрения — атом примеси располагается в междоузлии кристаллической решетки. В металлах примесями внедрения обычно являются водород, углерод, азот и кислород. В полупроводниках — это примеси, создающие глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне, например, медь и золото в кремнии.

В кристаллах часто наблюдаются также комплексы, состоящие из нескольких точечных дефектов, например: пара Френкеля (вакансия + собственный междоузельный атом), дивакансия (вакансия + вакансия), А-центр (вакансия + атом кислорода в кремнии и германии) и др.

Термодинамика точечных дефектов

Точечные дефекты повышают энергию кристалла, так как на образование каждого дефекта была затрачена определенная энергия. Упругая деформация обуславливает очень малую долю энергии образования вакансии, так как смещения ионов не превышают 1 % и соответствующая им энергия деформации составляет десятые доли эВ. При образовании межузельного атома смещения соседних ионов могут достигать 20 % от межатомного расстояния, а соответствующая им энергия упругой деформации решетки — нескольких эВ. Основная доля образования точечного дефекта связана с нарушением периодичности атомной структуры и сил связи между атомами. Точечный дефект в металле взаимодействует со всем электронным газом. Удаление положительного иона из узла равносильно внесению точечного отрицательного заряда; от этого заряда отталкиваются электроны проводимости, что вызывает повышение их энергии. Теоретические расчеты показывают, что энергия образования вакансии в ГЦК решетке меди составляет около 1 эВ, а межузельного атома — от 2.5 до 3.5 эВ.

Несмотря на увеличение энергии кристалла при образовании собственных точечных дефектов, они могут находиться в термодинамическом равновесии в решетке, так как их образование приводит к росту энтропии. При повышенных температурах рост энтропийного члена TS свободной энергии из-за образования точечных дефектов компенсирует рост полной энергии кристалла U, и свободная энергия оказывается минимальной.

Равновесная концентрация вакансий:

$\frac<n></p> <p>=\exp>$

где E₀ — энергия образования одной вакансии, k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура. Эта же формула справедлива для межузельных атомов. Формула показывает, что концентрация вакансий должна сильно зависеть от температуры. Формула для расчета проста, но точные количественные значения можно получить, только зная величину энергии образования дефекта. Рассчитать же теоретически эту величину весьма трудно, поэтому приходится довольствоваться лишь приближенными оценками.

Так как энергия образования дефекта входит в показатель степени, то это различие обусловливает громадную разницу в концентрации вакансий и межузельных атомов. Так, при 1000 °C в меди концентрация межузельных атомов составляет всего лишь 10 −39 , что на 35 порядков меньше концентрации вакансий при этой температуре. В плотных упаковках, какие характерны для большинства металлов, очень трудно образовываться межузельным атомам, и вакансии в таких кристаллах являются основными точечными дефектами (не считая примесных атомов).

Миграция точечных дефектов

Атомы, совершающие колебательное движение, непрерывно обмениваются энергией. Из-за хаотичности теплового движения энергия неравномерно распределена между разными атомами. В какой-то момент атом может получить от соседей такой избыток энергии, что он займет соседнее положение в решетке. Так осуществляется миграция (перемещение) точечных дефектов в объеме кристаллов.

Источники и стоки точечных дефектов

Основным источником и стоком точечных дефектов являются линейные и поверхностные дефекты — см. ниже. В крупных совершенных монокристаллах возможен распад пересыщенного твердого раствора собственных точечных дефектов с образованием т. н. микродефектов.

Комплексы точечных дефектов

Простейший комплекс точечных дефектов — бивакансия (дивакансия): две вакансии, расположенные в соседних узлах решетки. Большую роль в металлах и полупроводниках играют комплексы, состоящие из двух и более примесных атомов, а также из примесных атомов и собственных точечных дефектов. В частности, такие комплексы могут существенно влиять на прочностные, электрические и оптические свойства твердых тел.

Одномерные дефекты

Одномерные (линейные) дефекты представляют собой дефекты кристалла, размер которых по одному направлению много больше параметра решетки, а по двум другим — соизмерим с ним. К линейным дефектам относят дислокации и дисклинации. Общее определение: дислокация — граница области незавершенного сдвига в кристалле. Дислокации характеризуются вектором сдвига (вектором Бюргерса) и углом φ между ним и линией дислокации. При φ=0 дислокация называется винтовой; при φ=90° — краевой; при других углах — смешанной и тогда может быть разложена на винтовую и краевую компоненты. Дислокации возникают в процессе роста кристалла; при его пластической деформации и во многих других случаях. Их распределение и поведение при внешних воздействиях определяют важнейшие механические свойства, в частности такие как прочность, пластичность и др. Дисклинация — граница области незавершенного поворота в кристалле. Характеризуется вектором поворота.

Двумерные дефекты

Основной дефект-представитель этого класса — поверхность кристалла. Другие случаи — границы зёрен материала, в том числе малоугловые границы (представляют собой ассоциации дислокаций), плоскости двойникования, поверхности раздела фаз и др.

Трёхмерные дефекты

Объёмные дефекты. К ним относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы; частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), например пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста. Как правило, это поры или включения примесных фаз. Представляют собой конгломерат из многих дефектов. Происхождение — нарушение режимов роста кристалла, распад пересыщенного твердого раствора, загрязнение образцов. В некоторых случаях (например, при дисперсионном твердении) объемные дефекты специально вводят в материал, для модификации его физических свойств.

Методы избавления от дефектов

Основной метод, который помогает избавляться от дефектов в кристалле — метод зонной плавки. Этот метод хорошо применим для кремния. Плавят малую часть кристалла, чтобы впоследствии перекристаллизовать расплав. Используют также просто отжиг. Дефекты при повышенной температуре обладают высоким коэффициентом диффузии. Вакансии могут выходить на поверхность, и поэтому говорят об испарении дефектов.

Полезные дефекты

При пластической деформации металлов (например, ковке, прокатке), генерируются многочисленные дислокации, по-разному ориентированные в пространстве, что затрудняет разрушение кристалла по сетке дислокаций. Таким образом увеличивается прочность металла, но в то же время снижается пластичность.

В искусственно выращенных рубинах, сапфирах для лазеров добавляют примеси (Cr, Fe, Ti) элементов — окрашивающие центры, которые участвуют в генерации когерентного света.

Читайте также: